Normes d'efficacité énergétique avec le carbure de silicium Wolfspeed

Le carbure de silicium (SiC) offre une technologie de semiconducteurs capable de répondre à toutes les nouvelles normes d'efficacité pour les exigences de taille, de poids et de puissance sans compromis inacceptables.

Les statistiques d'octobre 2021 de l'Agence internationale de l'énergie (AIE), qui regroupe 30 pays membres et huit associations de pays, confirment l'élan vers une efficacité accrue de la consommation énergétique. Bien que les budgets nationaux pour l'efficacité énergétique et les énergies renouvelables aient continué de croître, l'AIE note que la part des budgets consacrée à l'efficacité énergétique est passée de 7 % en 1990 à 26 % en 2020.¹

Les nouvelles centrales électriques coûtent plus de 500 millions de dollars et nécessitent entre deux et six ans pour être construites, et le TCAC d'environ 7 % du marché des appareils électroménagers dépasse la capacité de mettre en ligne de nouvelles productions d'énergie. L'élaboration des politiques est donc dominée par des discussions sur l'utilisation efficace des ressources mondiales.

En Amérique, les normes ENERGY STAR® et 80 PLUS® influencent le comportement des ingénieurs et des consommateurs. Le programme ENERGY STAR élargit spécifiquement ses exigences pour inclure les chargeurs de véhicules électriques (VE) domestiques et commerciaux.

Dans la région Europe, Moyen-Orient et Afrique (EMEA), l'urgence d'atteindre les objectifs de l'Accord de Paris visant à maintenir l'augmentation de la température mondiale en dessous de 2°C au cours de ce siècle a déplacé l'accent sur les améliorations d'efficacité des systèmes de chauffage, ventilation et climatisation (CVC).

La Grande Chine et l'Asie du Sud-Est (GCSEA) mettent également l'accent sur l'efficacité des appareils électroménagers avec de nouveaux étiquetages et des normes de performance énergétique minimales. Par exemple, le 1er juillet 2020, la Chine a mis en œuvre l'une des exigences en matière d'efficacité énergétique les plus strictes au monde pour les climatiseurs de pièce, en exigeant qu'ils soient environ 15 % plus efficaces. Étant donné que le pays est le plus grand acheteur et fabricant de ces appareils, cela pourrait entraîner une réduction significative de la consommation d'énergie et de l'empreinte carbone.

Besoins d'efficacité satisfaits par Wolfspeed Silicon Carbide

L'impact direct des nouvelles normes d'efficacité est le besoin incontesté de carbure de silicium (SiC) en tant que technologie de semi-conducteur habilitante, qui a la capacité de répondre à toutes les exigences de taille, de poids et de puissance sans compromis irréalisables.

Avec la plus grande part de marché dans la technologie SiC, plus de 30 ans d'innovation dans l'énergie et plus de 17 ans de production de diodes et de MOSFET, Wolfspeed aide les concepteurs à répondre aux exigences normatives dans des applications clés, y compris les moteurs et les alimentations à découpage (SMPS), qui sont utilisées dans de nombreuses industries ainsi que dans certains des segments à la croissance la plus rapide, tels que l'infrastructure de recharge pour véhicules électriques. Les dispositifs SiC de l'entreprise surpassent de loin les composants en silicium (Si) conventionnels et établissent de nouvelles normes d'efficacité et de fiabilité.

Prêt pour les normes d'efficacité des moteurs IEC

Le plus grand usage final unique de l'électricité est réalisé par les systèmes entraînés par des moteurs électriques (EMDS) dans les appareils ménagers, les systèmes industriels et, de plus en plus, les véhicules électriques. On estime qu'en 2009, entre 43 % et 46 % de la consommation mondiale d'électricité et 6 040 mégatonnes (Mt) d'émissions de CO2 provenaient du fonctionnement des EMDS. Sans le soutien des politiques et des normes, les EMDS pourraient consommer 13 360 TWh et entraîner 8 570 Mt d'émissions de CO2 par an d'ici 2030.²

La norme mondiale IEC/EN 60034-30-1 traite de l'efficacité dans ce domaine d'application. Définissant les classes d'efficacité International Efficiency 1 (IE1) à IE4, avec une classe IE5 à venir, la norme a élargi son champ d'application en 2014 pour couvrir les moteurs à deux, quatre, six et huit pôles, allant de 120 W à 1 000 kW pour une tension d'entrée de 50 V à 1 kV.

La plupart des pays exigent déjà ou exigeront bientôt une efficacité minimale de IE3, et l'EMEA exigera IE4 en juillet 2023 pour les moteurs de la gamme de 75 à 200 kW. Passer de IE2 à IE3 pour un moteur quatre pôles de 2,2 kW signifie augmenter l'efficacité de 84,3 % à 86,7 %, ce qui représente une réduction des pertes de 15,2 %. Une transition de IE3 à IE4 nécessite une réduction des pertes de 21 % car l'efficacité totale augmente à 89,5 %. De telles transitions nécessiteront une refonte des systèmes, ce qui est facilité en passant de Si à SiC.

Pour les véhicules électriques, qui utilisent des onduleurs de transmission de 90 kW à plus de 350 kW, améliorer l'efficacité et réduire la taille et le poids permet de maximiser l'autonomie du véhicule. Les conceptions basées sur le SiC de Wolfspeed facilitent les conceptions bidirectionnelles pour permettre le freinage régénératif, réduire les pertes de 80 % et diminuer la taille de 30 % tout en réduisant le coût du système, comme le montre le trajet réel dans la Figure 2.

Nouvelles normes pour l'efficacité des alimentations à découpage (SMPS)

Les SMPS sont largement utilisés dans les segments commercial, industriel, des appareils ménagers, de l'énergie et des véhicules électriques. Rien qu'une application, le centre de données, aurait consommé environ 205 TWh en 2018 — soit 1 % de la consommation mondiale d'électricité.

Les exigences d'efficacité ENERGY STAR sont surpassées par les exigences de certification Platine et Titane du programme 80 PLUS ainsi que par l’Ecodesign de l'UE en Europe (réglementation ErP) Lot 9, qui prévoit une mise à jour encore plus stricte en janvier 2026. Les spécifications ORV3 PSU du Open Compute Project (OCP) exigent 40 % de pertes en moins par rapport à l’ORV2 et au 80 PLUS Titanium (Figure 3).

Ces normes imposent de nouvelles exigences à la conception des alimentations électriques et obligent les concepteurs à évaluer soigneusement les topologies qu'ils utilisent. Tandis qu'une correction du facteur de puissance (PFC) en totem quasi-sans pont basée sur le SiC avec diodes Si dans la branche basse fréquence pourrait offrir une efficacité de 98,9 % selon les dernières normes 80 PLUS, l'ORV3 privilégie une PFC en totem-sans pont tout-SiC–MOSFET pour atteindre une efficacité de 99,1 %.

Les MOSFET SiC 650 V C3M™ de Wolfspeed conviennent particulièrement bien à cette application. Son design de référence PFC de 2,2 kW atteint la norme 80 PLUS Titanium avec une efficacité >98,5% et un THD <5% dans les applications industrielles, de chargeurs de véhicules électriques et d'alimentations serveurs/télécom.

ENERGY STAR® certifie les chargeurs EV

Le gouvernement américain a approuvé 5 milliards de dollars au cours des cinq prochaines années pour construire une infrastructure de 500 000 chargeurs rapides DC, chacun capable de fournir un minimum de 150 kW par port et de charger simultanément quatre véhicules électriques. Pendant ce temps, la spécification ENERGY STAR pour les équipements de recharge de véhicules électriques (EVSE) est entrée en vigueur le 31 mars 2021, imposant une efficacité de charge active minimale de 93 % pour des chargeurs allant jusqu'à 65 kW et intégrant les chargeurs rapides DC jusqu'à 350 kW dans son champ d'application. Les chargeurs de véhicules électriques certifiés nécessitent généralement environ 40 % d'énergie en moins en mode veille.

Les utilisateurs commerciaux et domestiques recherchent les certifications ENERGY STAR, et les MOSFET et diodes de Wolfspeed permettent une efficacité supérieure de 1 à 2 %, une augmentation de 35 à 50 % de la densité de puissance à des coûts système comparables, un refroidissement global du système réduit, un boîtier mécanique plus petit et moins cher, et une meilleure charge bidirectionnelle pour les véhicules vers le réseau que ce qui est possible avec des conceptions à base de Si (Figure 4).

Portefeuille pour l'efficacité énergétique

Pour répondre à une gamme incomparable de considérations de conception, Wolfspeed propose un portefeuille de Carbure de Silicium tout aussi large comprenant des produits allant de 600 V à 1700 V avec un développement de 3,3 kV et plus, et de 1 A à près de 1 kA en modules de puissance. Quelle que soit l'application de puissance, il existe un produit discret en Carbure de Silicium de Wolfspeed, un module plus petit sans plaque de base construit selon les normes de l'industrie, ou un module de haute puissance à empreinte optimisée qui aide non seulement les concepteurs à respecter les dernières normes, mais aussi à prévoir les exigences à venir dans leurs feuilles de route de développement.

Sources :